DE2309278C2

DE2309278C2 - Vorrichtung zur Messung der Konzentration von bestimmten Eigenschaften, zum Beispiel der Feuchtigkeit, bewegter Meßgutbahnen mittels Mikrowellenenergie

Info

Publication number: DE2309278C2
Application number: DE2309278A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Kujath
Original assignee: Frieseke and Hoepfner GmbH
Current assignee: Frieseke and Hoepfner GmbH
Priority date: 1973-02-24
Filing date: 1973-02-24
Publication date: 1975-03-13
Also published as: GB1434882A; US3913012A; SE401737B; DE2309278B1; FR2219412A1; FR2219412B1

Description

derart einstellbar ist, daß das vom ersten Gleich- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine

richter (9) abgegebene Signal in Anwesenheit der Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben,

Meßgutbahn (2) zwischen den Antennen (1, 3) welche die vorstehend geschilderten Nachteile nicht

einen Maximalwert aufweist, der sich bei Lageän- 65 aufweist.

derungen der Meßgutbahn (2) nicht ändert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeantenne bezüglich ihrer

^__^_ Strahlungsrichtung senkrecht zur Meßgutbahn ausge-

richtet ist, daß in der den Mikrowellensender mit der Sendeantenne verbindenden Zuleitung ein Richtkoppler zur Auskopplung der von der Meßgutbahn in die Sendeantenne zurückreflektierten Mikrowellenenergie vorgesehen ist, weiter eine Einrichtung zur Unterdrückung von Reflexionen der Mikrowellenenergie in der Zuleitung zur Sendeantenne, eine Einrichtung zur Unterdrückung der Reflexionen von der Empfangsantenne zur Sendeantenne sowie eine Einrichtung zur Kompensation von Reflexionen auf Grund vor i-ageänderungen der Meßgutbahn.

Bei der erfindungsgemäßen Vonichtung wird durch die Doppelausnutzung der Sendeantenne eine erhebliche Aufwandsverringerung erzielt. Meßtechnisch wird durch die rechtwinklige Einstrahlung der Sendeenergie von vornherein jede Parallelverschiebung des Wellenstrahles durch das Meßgut und damit der Einfluß der Antennencharakteristik auf das Meßergebnis vermieden. Durch die Unterbindung jeglicher Art stehender Wellen in und zwischen den am unmittelbaren Meßvorgang beteiligten Teilen der Meßeinrichtung von Anfang an wird auch der Einfluß solcher stehender Wellen auf das Meßergebnis vermieden. Aus beiden Maßnahmen resultiert eine bei bekannten Vorrichtungen der eingangs genannten Art nicht erzielbare Genauigkeit des Meßwertes und Unabhängigkeit derselben von Lage und Dicke der Meßgutbahn.

Die Verwendung einer bezüglich ihrer Strahlungsrichtung senkrecht zur Meßgutbahn ausgerichteten Sendeantenne ist an sich aus der USA.-Patentschrift 3 622 874 bekannt. Dort wird jedoch mit der Mikrowellenenergie die Dicke einer bewegten Meßgutbahn ermittelt, und es ist Aufgabe, eine möglichst geringe Trägheit der Anordnung zu erreichen, damit eine exakte Messung bei hohen Geschwindigkeiten der Bahn ermöglicht wird.

Dabei ist das Meßgut Bestandteil eines geschlossenen Mikrowellenoszillatorkreises und beeinflußt je nach seiner Dicke die erzeugte Oszillatorfrequenz, indem die elektrische Länge der den Oszillatorkreis bildenden Schleife durch das Meßgut verändert wird. Die Verwendung einer senkrecht zum Meßgut hin gerichteten Antenne zu dem der Erfindung zugrunde liegenden Zweck ist dort nicht entnehmbar, auch nicht andeutungsweise. Diese Literatu.stelle konnte daher am Zustandekommen der vorliegenden Erfindung nichts beitragen.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung der Reflexionen in der Zuleitung zur Sendeantenne ein Totalabsorber an Stelle der Meßgutbahn zwischen die Antennen einsetzbar ist, daß die Einrichtung zur Unterdrückung der Reflexionen in der Zuleitung zur Sendeantenne aus einem in dieser Zuleitung angeordneten ersten Anpaßglied besteht, das derart einstellbar ist, daß das vom Richtkoppler ausgekoppelte und einen ersten Gleichrichter zugeführte Mikrowellensignal verschwindet, daß die Einrichtung zur Unterdrückung der Reflexionen von der Empfangsantenne zur Sendeantenne aus einem hinter der Empfangsantenne und zwischen dieser und einem Gleichrichter angeordneten zweiten Anpaßglied besteht, das derart einstellbar ist, daß das vom ersten Gleichrichter bei Abwesenheit der Meßgutbahn bzw. des Totalabsorbers und bei eingestelltem ersten Anpaßglied abgegebene Signal verschwindet, und daß die Einrichtung zur Kompensation von Reflexionen auf Grund von Lageänderungen der Meßgutbahn aus eiuem im Seitenarm des Richtkopplers vor dem ersten Gleichrichter angeordneten dritten Anpaßglied besteht, das derart einstellbar ist, daß das vom ersten Gleichrichter abgegebene Signal in Anwesenheit der Meßgutbahn zwischen den Antennen einen Maximalwert aufweist, der sich bei Lageänderungen der Meßgutbahn nicht ändert.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in

ίο der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispieles erläutert, welches schemaäsch den Aufbau einer solchen Vorrichtung zeigt.

Zwischen der Sendeantenne 1 und der Empfangsantenne 2 ist die Meßgutbahn 2 angeordnet. Wie ersichtlich, strahlt die Sendeantenne 1, in der Regel eine Hornantenne, senkrecht auf das Meßgut 2, dasselbe trifft für die Anordnung der Empfangsantenne 3 für die Dämpfungsenergie zu.
Die Sendeantenne 1 wird von dem Oszillator 4

ao über die Richtungsleitung 5 und die einstellbaren Anpassungselemente 6 gespeist. Letztere bestehen in bekannter Weise aus Stiften, Schrauben, Blenden u.dgl.

An die Verbindungsleitung zwischen Richtungslei-

s5 tung S und Anpassungselementen 6 ist der Richtkoppler 7 angeschlossen. Und zwar so, daß er nur Energie vom Teil 6 in Richtung Teil 5, also zurücklaufende Energie, weiterleitet. Der Richtkoppler 7 ist über einstellbare Anpassungselemente 8 an den Gleichrichter9 mit quadratischer Kennlinie angeschlossen, der auf der anderen Seite mit der Abstimmleitung 10 abgeschlossen ist. Diese dient in bekannter Weise dazu, den Gleichrichter 10 mit maximaler Energie zu beaufschlagen.

In ähnlicher Weise ist die Empfangsantenne 3 über einstellbare Anpassungselemente 11 an den Gleichrichter 12 mit ebenfalls quadratischer Kennlinie angeschlossen, der seinerseits mit der Abstimmleitung 13 versehen ist. Wie nach Vorstehendem ohne weiteres ersichtlich, steht am Ausgang des Gleichrichters 9 der Reflexionsmeßwert und am Ausgang des Gleichrichters 12 der Dämpfungsmeßwert zur Verfügung.
Zur Justierung der in der Figur skizzierten Meß-

einrichtung zwecks Unterbindung stehender Wellen zwischen den Antennen wird im Ausführungsbeispiel folgendermaßen vorgegangen:

Zunächst wird ein Toalabsorber an Stelle des später auszumessenden Meßgutes 2 zwischen die Antennen 1 und 3 gebracht. Solche Totalabsorber sind bekannt. Mit ihnen wird bewirkt, daß die von der Sendeantenne 1 abgestrahlte Leistung nicht von außen her wieder teilweise in die Antenne zurückgestrahlt werden kann. In der Leitungsverbindung zwischen Sender 4 und Antenne 1 zurücklaufende Wellen können daher nur von innerer Reflexion im Leitungssystem herrühren. Die Ar.passungselemente 6 werden nun so verstellt, daß die vom Richtkoppler 7 ausgekoppelte Energie zu Null wird. Dies wird am Aus-

gang des Gleichrichters 9 angezeigt. Selbstverständlich ist bei alledem die Abstimmleitung 10 so einzustellen, daß der Gleichrichter 9 an sich mit maximaler Energie beaufschlagt wird. Ist die Ausgangsgröße des Gleichrichters 9 Null, so bedeutet das, daß die innere Reflexion im System Sender 4—Antenne 1 ebenfalls Null ist.

Hernach wird der Totalabsorber zwischen den Antennen 1 und 3 entfernt. Bei sonst unveränderten

Verhältnissen zwischen den Teilen 4 und 1 zeigt nunmehr der Gleichrichter 9 einen gewissen Ausgangswert an. Dieser rührt von derjenigen Energie her, welche Vota der Empfangsantenne 3 in die Sendeantenne 1 zunickgestrahlt wird und in der Wellenleitung zur Richtungsleitung S zurückläuft.

Damit die Reflexion des Empfangssystems, bestehend aus den Teilen 3,11,12,13, zu Null wird, dieses mithin als idealer Mikrowellenabsorber oder schwarzer Strahler wirkt, werden die Anpassungselemente 11 in Verbindung mit der Abstimmleitung 13 so eingestellt, daß die Ausgangsgröße des Gleichrichters 9 wieder zu Null wird. Die Verstellung der Teile 11 und 13 bewirkt hierbei, daß dem Gleichrichter 12 eine maximale Energie zugeführt wird.

Durch die eben geschilderten beiden Maßnahmen ist die Bildung stehender Wellen zwischen den Antennen 1 und 3 unterbunden. Durch Einfügen e^ir>p.r nicht total reflektierenden Probe, die auch das Meßgut selbst sein kann, in den Meßspalt zwischen die Antennen 1 und 3 werden die Verhältnisse etwas beeinflußt, so daß in geringem Maße sich wieder stehende Wellen ausbilden können, und zwar hauptsächlich zwischen Sendeantenne 1 und Probe. Um für diesen Fall die Meßgenauigkeit weiter zu erhöhen, sind die Anpassungselemente 8 vorgesehen. Diese werden so eingestellt, daß sich bei einer Lageänderung der Probe 2, die dem unvermeidlichen

ίο Flattern des Meßgutes in der Praxis entsprechen würde, die Ausgangsgröße des Gleichrichters 9 prozentual am wenigsten ändert. Wurde als Probe für diesen Feineinstellungsvorgang bereits ein Flächenelement des späteren Meßgutes verwendet, so stellen die Ausgangsgröße des Gleichrichters 9 den Reflexionsmeßwert U_R dar. In analoger Weise stellt die Ausgangsgröße des Gleichrichters 12 den Dämpfungsmeßwert U₀ dar. Beide Meßwerte stehen nunmehr zur Quotientenbildung zur Verfugung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung Patentansprüche: zur Messung der Konzentration von bestimmten Eigenschaften, wie z.B. der Feuchtigkeit, bewegter

1. Vorrichtung zur Messung der Konzentratioa Meßgutbahnen, mit einem MikroweUensender und von bestimmten Eigenschaften, wie z.B. der 5 einer daran über eine Zuleitung angeschlossenen Feuchtigkeit, bewegter Meßgutbahnen, mit einem Sendeantenne zur Durchstrahlung der Meßgutbahn Mikrowellensender und einer daran über eine mit Mikrowellenenergie, mit einer auf der der Sende-Zuieitung angeschlossenen Sendeantenne zur antenne abgewandten Seite de» Meßgutbahn an-Durchstrahlung der Meßgutbahn mit Mikrowel- geordneten Empfangsantenne zur Aufnahme der lenenergie, mit einer auf der der Sendeantenne io durch die Meßgutbahn gedämpften Mikrowellenabgewandten Sehe der Meßgutbahn angeordne- energie, welche ein Maß für die zu bestimmende ten Empfangsantenne zur Aufnahme der durch Eigenschaft darstellt, mit Einrichtungen zur Erfasdie Meßgutbahn gedämpften Mikrowellenenergie, sung der von der Meßgutbahn reflektierten Energie die ein Maß für die zu bestimmende Eigenschaft und einer Auswerteeinrichtung, in der die hinter der darstellt, mit Einrichtungen zur Erfassung der 15 Meßgutbahn empfangene Energie durch Quotientenvon der Meßgutbahn reflektierten Energie und bildung mit der reflektierten Energie von Störeinfliiseiner Auswerteeinrichtung, in der die hinter der sen befreit wird.

Meßgutbahn empfangene Energie durch Quotien- Eine derartige Vorrichtung ist aus der USA.-Patenbildung mit der reflektierten Energie von Stör- tentschrift 3 644 826 bekannt. Dort wird zur Erfaseinflüssen befreit wird, dadurch g e k e η η - ao sung der Reflexionsenergie eine besondere Antenne, zeichnet, daß die Sendeantenne (1) bezüglich genannt Streuantenne, verwendet, die schräg auf die ihrer Strahlungsrichtung senkrecht zur Meßgut- Meßgutbahn gerichtet ist. In gleicher Weise ist die bahn ausgerichtet ist, daß in der den Mikrowel- Sendeantenne schräg auf das Meßgut gerichtet. Diese tensender (4) mit der Sendeantenne (1) verbin- Methode hat verschiedene Nachteile,
denden Zuleitung ein Richtkoppler (7) zur Aus- »5 Durch die Notwendigkeit zweier Antennen auf der kopplung der von der Meßgutbahn (2) in die WeHenoinfallsseite des Meßgutes ist ein relativ hoher Sendeantenne zurückreflektierten Mikrowellen- Aufwand bedingt, besonders, wenn man die damit energie vorgesehen ist, weiter eine Einrichtung zusammenhängenden Bauteile, z. B. Wellenleitungen, (6) zur Unterdrückung von Reflexionen der Mi- mit in die Betrachtung einbezieht. Insbesondere ist krowellenenergie in der Zuleitung zur Sendean- 30 jedoch nachteilig, daß die Erfassung der Dämpfungstenne, eine Einrichtung (11) zur Unterdrückung energie und der Reflexionsenergie bei der bekannten der Reflexionen von der Empfangsantenne (3) Vorrichtung mit erheblichen Unsicherheiten behaftet eur Sendeantenne (1) sowie eine Einrichtung (8) ist, die zu entsprechend geringer Genauigkeit beim Eur Kompensation von Reflexionen auf Grund erhaltenen Feuchte-Meßwert führen,
von Lageveränderungen der Meßgurtbahn (2). 35 Bei der schrägen Durchstrahlung des Meßgutes

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- tritt, wie sich zeigen läßt, eine Parallelverschiebung kennzeichnet, daß zur Unterdrückung der Refle- zwischen einfallendem Wellenstrahl und Ausgangs-Xionen in der Zuleitung zur Sendeantenne (1) ein strahl auf, welche mit der Schichtdicke und dem Totalabsorber an Stelle der Meßgutbahn zwi- Feuchtegehalt wächst und beträchtliche Werte ansehen die Antennen (1, 3) einsetzbar ist, daß die 40 nehmen kann. In das Meßergebnis gehen daher die Einrichtung (6) zur Unterdrückung der Reflexio- Charakteristiken von Sendeantenne und Empfangsnen in der Zuleitung zur Sendeantenne (1) aus antenne (Besselfunktionen) ein, die zu entsprecheneinem in dieser Zuleitung angeordneten ersten den Nichtlinearitäten führen. In ähnlicher Weise ist Anpaßglied besteht, das derart einstellbar ist, daß die empfangene Reflexionsenergie mit großen Undas vom Richtkoppler (7) ausgekoppelte und 45 Sicherheiten behaftet. Durch die schräge Ausrichtung einem ersten Gleichrichter (9) zugeführte Mikro- der Streuantenne auf das Meßgut gelangt nur ein an Wellensignal verschwindet, daß die Hinrichtung der der Sendeantenne zugewandten Meßgutseite re-(11) zur Unterdrückung der Reflexionen von der flektierter proportionaler Energieanteil in die Streu-Empfangsantenne (3) zur Sendeantenne (1) aus antenne, wohingegen der von der der Sendeantenne einem hinter der Empfangsantenne (3) und zwi- 50 abgewandten Meßgutseite reflektierte Strahl zur sehen dieser und einem Gleichrichter (12) an- Streuantenne parallel verschoben zurückläuft und mit geordneten zweiten Anpaßglied besteht, das der- der Antennencharakteristik bewertet wird. Der die art einstellbar ist, daß das vom ersten Gleichrich- reflektierte Sendeenergie beschreibende Reflexionster bei Abwesenheit der Meßgutbahn bzw. des faktor, der sich aus der Überlagerung beider Teilwel-Totalabsorbers und bei eingestelltem ersten An- 55 len ergibt, wird daher nur fehlerhaft erfaßt. Dies paßglied (6) abgegebene Signal verschwindet, wirkt sich besonders bei großen Meßgutdicken und lind daß die Einrichtung (8) zur Kompensation geringer Feuchte aus. Weiterhin bewirken die zwi-Von Reflexionen auf Grund von Lageänderungen sehen Sendeantenne, Meßgut und Streuantenne exider Meßgutbahn aus einem im Seitenarm des stierenden stehenden Wellen eine beträchtliche Lage-Richtkopplers(7) vor dem ersten Gleichrichter (9) 60 abhängigkeit der gemessenen Reflexionsenergie, so angeordneten dritten Anpaßglied besteht, das daß hieraus ein weiterer Fehler resultiert.